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気象庁気象研究所
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非意図的気象改変:エアロゾルの間接効果

 雲の放射特性や降水能力は、暖かい雲に関しては雲粒の粒径分布に、冷たい雲に関しては過冷却雲粒と氷晶の割合に依存するので、初期雲粒粒径分布や氷晶数濃度を決定する雲核あるいは氷晶核として働くエアロゾル粒子の活性化過程が重要です。雲と放射の相互作用や降水機構を通して、これらのエアロゾル粒子はさらに雲の空間的広がり、寿命、地上降水に影響を及ぼします。エアロゾルの雲・降水に対する影響のより深い理解、延いては短期の降水予測や気候変動予測の向上を目指して、種々の雲システムの微物理構造と雲核・氷晶核として働くエアロゾル粒子の物理・化学特性の関係を航空機観測・室内実験を通して調べています。更に、エアロゾルの雲・降水に対する間接効果をエアロゾル・雲・降水統一雲物理パラメタリゼーションを組み込んだ非静力学モデルで定量的に調べています。

Contents 関連項目

MRI雲生成チェンバーによるエアロゾルの間接効果に関する実験的研究

 エアロゾルの第2種間接効果を雲物理学的視点から究明する取組みとして、基礎室内実験からエアロゾル・雲過程に関する定量的な知見を増やし、詳細雲微物理ボックスモデルを改良して、エアロゾル〜雲粒・氷晶発生過を定式化し、非静力学数値モデルに組込むエアロゾル(CCN・IN)・雲・降水を統一的に扱う新しい雲物理パラメタリゼーションの構築をめざしている。

 雲内における氷晶発生過程は複雑であり、一口に氷晶核といってもエアロゾル粒子は複数の経路を通って氷晶発生に関与することが考えられる。
1. 水溶性粒子と不溶性粒子による均質核形成と不均質核形成という考え方
2. エアロゾルのCCN・IN特性により、特異な気温・過飽和度や先に雲粒形成に関与しているか、すでに雲粒存在しそれとの相互作用があるか
これらによっても氷晶発生の様相は変わる。

 この模式図は、雲核・氷晶核が雲内活性化し、雲粒子を形成、やがて降水粒子へと成長して地上降水をもたらす一連の雲物理過程を表したものである。
 ここでは、当該研究の概要および試料粒子に特定エアロゾル(ATDおよびすす粒子)を用いた初期的な雲生成チェンバー実験結果を示す。

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使用している計測機器

 標題に掲げたように多様な特定エアロゾルを用いた室内実験を進めるために、エアロゾルのキャラクタリゼーションを行うための計測装置として雲核計・氷晶核計・OPC・SMPSを、雲生成チェンバー実験を通じて発生する雲粒子を検出する装置としてCAS・Walas・CPIおよび偏光Laserセンサーを用いる。

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ダスト粒子の実験

 ダスト粒子には、その氷晶核能の相互比較実験にreference materialとしてよく用いられ、一般に入手可能なArizona Test Dust (ATD)を用いた。化学組成および他のダスト粒子との比較も進んでいるダストの標準粒子である。

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 ATDはブラシ式の粒子発生装置により発生させ2段のサイクロンを通して、エアロゾルバッファータンクへ導入し、粒径分布やCCN・IN活性化スペクトラムなどの粒子特性を計測する。

 使用したATDのピーク径は約300nm、CCN活性化スペクトラムから過飽和度0.4%を超える場合には8割以上の粒子がCCNとして働き、雲粒を生成する能力を有していることがわかる。

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 下図は雲生成チェンバーによる氷晶発生実験の初期値と実験結果である。この実験シリーズでは、初期露点を変化させた場合、つまり凝結温度を変えた場合に検出した氷晶を比較したものである。下図の右は、横軸気温、縦軸は発生した氷晶数とATD粒子の総数の比を低温側へ積上げていった値である。凝結温度が高く、先行して発生した雲粒数が大きいほどいち早くあるレベル(10-4)を超えた氷晶数が検出されている。4番の事例では、Activated Fractionの立ち上がりは遅いもののシャープに増加し、一気に2,3番と同程度になり、このあたり(-38℃)で1番に追いつき最終的なActivated Fractionは10-2と100個に1つのATDが氷晶発生に関与したことが示される。

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すす粒子の実験

 次にすす粒子については、スパーク式の粒子発生装置を用いて実験を行った。同方式から発生したすす粒子の粒径分布やEC・OC比については既に調べられており、比較的pureなすす粒子についての実験といえる。

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 気象研のエアロゾル粒子計測システムにより得られたピーク径は約70nmであり、雲核特性は低過飽和では、ダスト粒子に比べて活性化する割合は少ないものの、過飽和度が大きくなるにつれ増加し、差が埋まっていく傾向がある。

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 下図はチェンバー実験の初期値と実験結果である。 初期露点は3パターンあり、対応する凝結温度が10℃おきに、-20 ℃,-30 ℃,-40 ℃となるよう設定した。ただし、3番目は未飽和で進展する実験を行った。実験結果としてのActivated Fractionについて、実線は10um以上、破線は1um以上の粒子について表している。2番目の事例が最も高く、1,3番目は途中のActivated Fractionの進展は異なるものの、-38℃以下の増加による寄与が大きく良く一致していた。

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ダスト粒子とすす粒子の比較

 以上、雲生成実験から得られたActivated Fractionに現れた特徴を事前に行った氷晶核計の計測結果との対応から考えてみてみる。

すす粒子について

 -38℃でのIN計計測から水飽和付近からのみ氷晶発生が顕著である。このことに基づいて考察すると、右図の-35℃以下のActivated Fractionの上昇はこのことと関連することになる。#2(赤)については、立上がりが早く、凝結温度に達していたことから均質核形成が考えられる。一方、#1(黒)および#3(緑)のパターンが似ていることからこれらは同一メカニズムにより顕在化したと考えられる。IN計測による水未飽和での氷晶核活性に関する証拠がないため、不均質凍結と仮定した場合 #3(緑)の実験は未飽和で先行する雲粒形成の説明が難しい。(また、IN計では均質凍結との区別が難しい)

 チェンバー実験の方から見れば、昇華凝結核形成が考えられ、この場合、IN計の計測精度をチェックする必要がある。(先行研究から気温-40〜-90℃領域では、比較的小さなSSi(1.1〜1.3)でこの核形成が起こるとの報告あり)

 このため、現段階で結論づけることはできない。

ATDについて

 IN計測から-30℃より暖かい温度域では、不均質凍結核形成が働いていると考えられる。-30℃以下では、IN計の結果から水未飽和において昇華凝結核形成によるより多くの氷晶発生が考えられるため、#4の急速な立上がりや、このあたり(-35℃付近)での#2, #3の増分は、これに対応するかもしれない。

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外部混合粒子

 下図の左は、別々に発生した硫酸アンモニウムとATDを雲生成チェンバー内へ導入したときのPSDである。右上図における青色の点は、硫酸アンモニウム(水溶性のエアロゾル粒子)単独による氷晶発生の様子を表した図で、縦軸はある気温で検出した氷晶数である。 このように硫酸アンモニウムの場合、-35℃以下の均質核形成を通じて氷晶発生過程に寄与しているのに対し、これまで見てきたようにATDは雲粒凍結核や昇華凝結核などの不均質核形成を通じて寄与する。

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 これらの粒子の外部混合状態における氷晶発生過程をみるため、単一種粒子による実験事例と同様な条件(LCLの気温-22.8℃、上昇速度5m/s)により雲生成実験を行った。上図との比較において-35℃以上でも細かなに違いはあるが、大きく異なるのは-35℃以上での均質核形成を通じての氷晶発生が相対的に不活発であった点である。ATDとの外部混合により、雲粒形成と引続く雲粒凍結の様相が変わることが推測される。より低温域で氷晶核形成が起こる前に、活性化する粒子や雲粒子の成長過程で失われる水蒸気の割合が変わったことが影響していると考えられる。

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